Введение к работе
Актуальность темы. Широкое применение вольфрамомолибденовых быстрорежущих сталей (БРС) типа Р6М5 традиционного металлургического передела в промышленности сдерживается дефицитом дорогостоящих легирующих элементов, таких как вольфрам, молибден, ванадий, хром и сложностью изготовления металлорежущего инструмента из этих сталей методами обработки металлов давлением. Поэтому проблема экономии БРС, энергетических и материальных ресурсов, затраченных на производство заготовок и изделий из них, актуальна.
Один из путей решения этой проблемы - использование эффекта сверхпластичности (СП) БРС. Установление закономерностей развития СП и разработка ресурсосберегающих технологий обработки БРС возможно на основе моделирования явления сверхпластичности БРС.
В настоящее время различными научными школами получено большое число реологических и физических моделей, которые можно разделить на несколько групп.
К первой группе относятся флуктационные и использующие термодинамику «малых» дисперсных систем модели. Они были выведены Я. И. Френкелем, К. П. Гуровым, А. С. Тихоновым и М. X. Шоршоровым для изотермической СП вблизи температур фазовых превращений. Температура сверхпластичности, согласно этим моделям, лежит несколько ниже температуры фазового превращения.
Вторую группу образуют модели, основанные на рассмотрении СПД как процесса вакансионной и дислокационной ползучести и межзеренного проскальзывания. В построении моделей существенный вклад внесли как российские (О. А. Кабышев, Н. Н. Холин, Р. И. Нигматулин, М. X Шоршоров и др.), так и зарубежные (Бекофен, Эшби, Рейдж, Шерби, Вералл и др.) ученые. Наиболее адекватными являются модели зернограничного скольжения с соответствующими аккомодационными процессами. Модели, описывающие зависимость напряжение течения от скорости деформации, предполагают существование нескольких механизмов деформации. К таким моделям относится, например, предложенная О. М. Смирновым реологическая модель упруго-вязко-пластической среды.
К третьей группе относятся модели, математическое описание которых сводится к формированию соответствующих систем уравнений связи между компонентами напряжений и деформации в элементах модели. Углубление представлений о природе неупругой деформации различных материалов и учет большого количества факторов, влияющих на их свойства, приводит к существенному усложнению существующих моделей и затрудняет выработку общих подходов к их численной реализации и комплексному применению в прикладных задачах механики.
Анализ существующих моделей показал, что оценивать параметры сверхпластической деформации по физическим и реологическим моделям сложно вследствие приближенного характера и присутствия в них трудно
определяемых физических величин и эмпирических коэффициентов. Кроме
того, они не учитывают влияние дисперсности исходной структуры
материала, значимость вклада которой в проявление эффекта СП была
отмечена предыдущими исследователями; не дают количественной связи
критериев эффекта СП с условиями его проявления. Поэтому актуальной
задачей является построение структурно-термомеханических моделей
описывающих влияние температуры, скорости деформации и параметров
исходной структуры материала (размера карбидных частиц) на критерии
сверхпластического течения (сопротивление деформированию и
пластичность).
Работа выполнена по приоритетным направлениям развития науки,
технологий и техники РФ (энергосберегающие технологии,
производственные технологии, экология и рациональное
природопользование) при выполнении госбюджетных НИР: № 54-01 «Разработка ресурсосберегающих процессов формоизменения заготовок при изотермическом нагружении на основе моделирования и оптимизации структуры и свойств материалов», № 41-06 «Разработка структурно -термомеханических моделей для ресурсосберегающего деформирования гетерофазных сталей» и проекта РНП 3.1.1.8498 «Новые технологии организации и планирования эффективного учебного процесса в высшей школе» по целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» в Тульском государственном университете, в базовой лаборатории ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН «Новые процессы формоизменения металлических материалов специального назначения» при ТулГУ и в лаборатории перспективных материалов, технологий и изделий Тульского научно - технологического парка.
Цель работы: разработка и анализ структурно — термомеханических моделей пластичности и прочности стали Р6М5 для оптимизации режимов сверхпластического и изотермического деформирования.
Автор защищает:
-
Комплексную методику математического моделирования механических свойств при деформировании стали Р6М5 в температурно-скоростных режимах проявления эффекта СП, а также исследования влияния сверхпластического деформирования (СПД) на фазовый состав и структуру БРС.
-
Разработанные структурно - термомеханические модели пластичности и прочности стали Р6М5 для растяжения и осадки.
-
Установленные закономерности изменения пластичности и прочности стали Р6М5 от температуры, скорости деформации и структурного фактора при растяжении и осадке.
-
Механизм структурообразования стали Р6М5 в условиях СП.
-
Оптимальные режимы деформирования и технологические рекомендации для ресурсосберегающей обработки заготовок из стали Р6М5.
Методика исследований заключалась в использовании планирования многофакторного эксперимента и моделирования эффекта СП с проведением высокотемпературных механических испытаний, дилатометрического анализа, количественной металлографии, дифференциального термического анализа, рентгеноструктурного фазового анализа, электронной микроскопии, электронной фракгографии, а также математической статистики при обработке результатов.
Достоверность полученных положений, выводов и рекомендаций подтверждена использованием современных методов физико-химического анализа структуры и свойств материала, а также адекватностью полученных моделей экспериментальным данным.
Научная новизна
-
Разработаны структурно — термомеханические модели стали Р6М5 в виде полиномов третьего порядка, описывающие влияние температуры (от 750 до 850 С), скорости деформации (от 0, 0002 до 0,026 с"1) и дисперсности структуры (среднего диаметра карбидных выделений d от 1 до 4 мкм), а также эффектов их парного взаимодействия на прочность и пластичность БРС при растяжении и осадке.
-
Установлено влияние дисперсности карбидной фазы в исходной структуре в критерии СП течения БРС Р6М5. Увеличение дисперсности карбидной фазы от 4 до 1 мкм не приводит к повышению сопротивления деформированию при растяжении и осадке выше предельных значений, соответствующих состоянию СП БРС, при значимом увеличении пластичности.
-
Выявлены основные структурные и фазовые изменения в результате СПД, связанные с повышением дисперсности структуры стали Р6М5 за счет развития процессов частичного растворения сложных карбидов, измельчения и сфероидизации карбидной фазы.
-
Предложен механизм структурообразования стали Р6М5 при СПД, заключающийся в обратимом протекании процесса эвтектоидного превращения ниже равновесной температуры: прямое фазовое превращении инициируется за счет влияния энергии деформации, а обратное - за счет развития процессов рекристаллизации, образовавшихся областей аустенита.
Практическое значение работы.
1. На основе установленных закономерностей изменения механических
свойств БРС с различной исходной дисперсностью структуры в
температурно-скоростном поле с использованием методов одноцелевого
программирования, предложен подход для определения рациональных
областей обработки стали Р6М5
-
Рассчитаны количественные значения пластичности и прочности стали Р6М5 при различных схемах напряженного состояния, которые могут служить основой для оптимизации режимов ресурсосберегающих технологий производства металлорежущего инструмента.
-
Разработан способ получения дисковых резцов ступенчатой формы из стали Р6М5, который позволяет повысить коэффициент использования
металла до 0,8, увеличить предел прочности резцов на изгиб на 25-35 %, а стойкость инструмента в 1,7-2,1 раза (подтверждено соответствующими документами), что позволяет отнести его к малоотходным, ресурсосберегающим технологиям рационального природопользования.
Реализация результатов работы.
Предложенная комплексная методика исследования процессов поведения стали Р6М5 с различной исходной структурой в температурных, скоростных и силовых полях, созданная для обоснования ресурсосберегающих технологий производства заготовок металлорежущего инструмента использована в Тульском артиллерийском инженерном институте, г. Тула, на Тульском патронном заводе, г. Тула, на ОАО «Щегловский вал», г. Тула при разработке конкурентоспособной продукции и создании прогрессивных технологий, что подтверждено актами внедрения и заключениями, выданными вышеперечисленными предприятиями.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на международной научно - практической конференции «Структурная релаксация в твердых телах», Винница, 2003; на XXI Международной конференции «Нелинейные процессы в твердых телах», Воронеж, 2004; на 15 научно - технической конференции Тульского артиллерийского инженерного института, Тула, 2005; на 41 и 42 научно — практических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (2004-2005 г.г.).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 12 печатных работах.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
